Elektrochemiczne oznaczanie substancji organicznych

Elektrochemiczne oznaczanie substancji organicznych

Zakład Chemii Analitycznej
PROBLEMATYKA:
Elektrochemiczne oznaczanie substancji organicznych
TEMAT ĆWICZENIA:
Oznaczanie paracetamolu
farmaceutycznych.
(N-acetylo-4-aminofenolu)
w
preparatach
METODA:
Woltamperometria cykliczna
WPROWADZENIE
Wiele metod analitycznych opartych na elektrochemicznych właściwościach
roztworów znalazło szerokie zastosowanie w analizach środowiskowych, toksykologicznych
czy nawet przemysłowych. Powodem tak szerokiego ich zastosowania jest wiele zalet
charakteryzujących techniki elektroanalityczne, m.in.: wysoka czułość, dokładność oraz
precyzja poszczególnych serii pomiarowych, duża wygoda pomiaru zmiennych
elektrycznych, niskie koszty aparatury, łatwość automatyzacji oraz komputeryzacji.
Wśród technik elektroanalitycznych dokonano podziału ze względu na mierzone
zależności i tak:
 techniki potencjometryczne – badanie potencjału elektrody, który jest funkcją
aktywności analitu,
 techniki elektrolityczne – wydzielenie składnika na elektrodzie,
 techniki kulometryczne – pomiar ładunku niezbędnego do utlenienia bądź redukcji,
 techniki woltamperometryczne – pomiar prądu pomiędzy elektrodami w funkcji
polaryzacji,
 techniki konduktometryczne – badanie przewodnictwa elektrycznego.
Podstawy fizykochemiczne woltamperometrii
Woltamperometrią nazywamy szereg metod elektrochemicznych polegających
na pomiarze natężenia prądu płynącego przez stacjonarną elektrodę wskaźnikową w funkcji
przyłożonego napięcia (potencjału elektrody) I = f(E). Istotnym jest, aby pomiar prowadzony
był w tak dobranych warunkach, by mierzony prąd obrazował przebieg interesującego
procesu, a nie procesów przeszkadzających. Pojęcie elektrody stacjonarnej obejmuje
elektrody o stałej niezmiennej powierzchni, np. elektrody: platynową, złotą czy grafitową.
Do elektrod tego typu zalicza się również elektrody rtęciowe w postaci wiszącej kropli lub
cienkiej warstewki osadzonej na przewodzącym podłożu (tzw. elektrody błonkowe).
W typowych pomiarach woltamperometrycznych naczyńko składa się z trzech elektrod:
pracującej (ang. W lub WE), odniesienia (ang. REF) oraz pomocniczej (ang. AUX, CE), rys 1.
Elektroda pracująca powinna charakteryzować się stosunkowo małą powierzchnią
oraz dużą polaryzowalnością. Niewielka powierzchnia zapewnia, iż mierzone wartości
prądów są małe, natomiast gęstości prądów duże, co skutkuje, iż ilości analitu biorącego
udział w reakcji redoks, mimo wielokrotnego powtarzania pomiaru, nie ulegają znacznemu
zmniejszeniu. Polaryzowalność elektrody pracującej oznacza, że w nieobecności
depolaryzatora (substancji oznaczanej) nie przebiegają istotne reakcje i przyjmuje ona
potencjał zewnętrznego źródła napięcia. Druga elektroda – odniesienia, to odwracalna
i niepolaryzowalna elektroda o stałym potencjale. Zadaniem elektrody pomocniczej jest
1
Zakład Chemii Analitycznej
zamknięcie obwodu elektrycznego, tak aby prąd przepływał pomiędzy elektrodą pracującą
i pomocniczą.
Rys. 1. Typowe naczyńko pomiarowe do oznaczeń woltamperometrycznych złożone z trzech elektrod
Ważną rolę w pomiarach woltamperometrycznych odgrywa elektrolit podstawowy,
którego stężenie powinno być zdecydowanie większe od stężenia depolaryzatora (stężenie
badanego jonu wynosi zwykle mniej niż 1% stężenia elektrolitu podstawowego). Rola
elektrolitu podstawowego powinna być ograniczona do transferu ładunku przez roztwór; nie
może on natomiast uczestniczyć w reakcjach elektrodowych, powinien również umożliwić
oznaczenie analitu w szerokim zakresie potencjałów, zapewnić stałą siłę jonową roztworu,
nie może tworzyć z substancją oznaczaną nierozpuszczalnych soli, występuje w jasno
zdefiniowanej i jednorodnej formie oraz nie powoduje kontaminacji badanej próbki. Wśród
najczęściej stosowanych elektrolitów podstawowych znajdują się roztwory buforowe,
roztwory kwasów (HCl, HNO3), zasad (NaOH, NH3aq) i soli obojętnych (KCl, KNO3). Jako
substancje dodatkowe zastosowanie znalazły również roztwory niektórych surfaktantów
(substancji powierzchniowo czynnych) tłumiących maksima np. żelatyna.
W związku z przyłożonym zewnętrznym napięciem, które wymusza przebieg reakcji
utleniania lub redukcji substancji oznaczanej, podstawowym zjawiskiem wykorzystywanym
w technikach woltamperometrycznych jest elektroliza w warstwach przyelektrodowych.
W największym uproszczeniu proces ten można podzielić na trzy etapy, a najwolniejszy
z nich decyduje o wielkości mierzonego prądu:
1. etap polegający na doprowadzeniu depolaryzatora do powierzchni elektrody,
2. etap reakcji elektrodowej, w czasie której następuje przeniesienie n elektronów
od substancji elektrodowo aktywnej do elektrody (utlenianie), bądź od elektrody
do depolaryzatora (redukcja),
3. w zależności od postaci chemicznej produkt reakcji może być transportowany
do wnętrza roztworu lub pozostawać na powierzchni elektrody.
2
Zakład Chemii Analitycznej
Transport depolaryzatora do powierzchni elektrody pracującej, w przypadku
obecności elektrolitu podstawowego, odbywa się na drodze dyfuzji – prąd dyfuzyjny to
podstawowy prąd mierzony w technikach woltamperometrycznych. Z faktu homogeniczności
badanego roztworu wynika, iż stężenie depolaryzatora jest jednakowe w całym naczynku
pomiarowym. Spolaryzowanie elektrod powoduje, że w wyniku biegnącej reakcji
elektrodowej, w pobliżu elektrody pracującej stężenie analitu zaczyna maleć, co powoduje
wytworzenie się gradientu stężenia, ten z kolei wymusza ruch jonów. Dalszy wzrost
potencjału elektrody powoduje przyspieszenie reakcji, co widoczne jest jako zwiększenie
natężenie prądu płynącego pomiędzy WE a AUX i prowadzi do wyczerpania jonów
depolaryzatora na elektrodzie oraz w jej pobliżu. W takiej sytuacji wszystkie jony analitu
docierające na drodze dyfuzji do powierzchni elektrody ulegają natychmiast przekształceniu
(graniczny prąd dyfuzyjny).
Opracowano wiele różnych technik woltamperometrycznych, różniących się
przebiegiem zmian potencjału elektrody pracującej. Najbardziej popularne to:
- hydromechaniczna,
- różnicowa,
- różniczkowa,
- z liniową zmiana potencjału (LSV),
- cykliczna (CV),
- inwersyjna (stripingowa).
Woltamperometria cykliczna
Woltamperometria cykliczna to jedna z metod, która znalazła szczególne zastosowanie
przy pomiarach termodynamicznych potencjałów redoks. Określenie cykliczna wynika ze
sposobu prowadzenia pomiaru: gdy w naczyniu zachodzi reakcja AB, która jest
np. elektrolitycznym utlenianiem, to bezpośrednio po niej zachodzi proces odwrotny, czyli
redukcja (BA). Pozwala to na badanie losów substancji B bezpośrednio po jej powstaniu,
a zatem śledzić można zarówno przyłączanie, bądź utratę elektronów, jak również kinetykę
reakcji elektrodowej.
W podstawowej formie woltamperometria cykliczna opiera się na przykładaniu
trójkątnego napięcia do dwóch elektrod zanurzonych w roztworze zawierającym badany
analit oraz elektrolit podstawowy. Warto zastrzec, iż pomimo cykliczności obu reakcji redoks
i ich bezpośrednim przechodzeniu jedna w drugą, zwykle warunki końcowe różnią się od
początkowych – kolejne krzywe woltamperometryczne (rys. 2) nieznacznie różnią się od
siebie. Związane jest to faktem, że produkt może ulegać dalszym przekształceniom
chemicznym lub elektrochemicznym, czy też elektroaktywnością produktów ubocznych
reakcji B.
3
Zakład Chemii Analitycznej
Rys. 2. Woltamperogram – sygnał analityczny uzyskany techniką woltamperometrii cyklicznej,
Epa, Epk – wartości potencjałów dla pików odpowiednio anodowego utleniania, oraz katodowej
redukcji, Ipa, Ipk – wartości prądów analogiczne jak dla potencjałów.
Duża część reakcji elektrodowych nie jest natychmiast i całkowicie odwracalna –
miarą odwracalności procesu jest różnica między potencjałem piku anodowego a potencjałem
piku katodowego. Dla układu całkowicie odwracalnego, w temperaturze 25oC, różnica ta
powinna wynosić:
0,059
E pa  E pk 
[V ]
(1)
n
n - liczba elektronów biorących udział w reakcji elektrodowej.
Z powyższego równania wynika, że różnica ta maleje wraz ze wzrostem liczby elektronów
przenoszonych na rozważanym etapie reakcji elektrodowej.
Dla procesów odwracalnych maksymalne natężenie prądu można wyrazić równaniem
Randlesa - Ševčika:
nvFD
i p  0,4463  n  F  c  A
(2)
RT
gdzie:
0,4463 – bezwymiarowy współczynnik liczbowy,
n – liczba elektronów biorących udział w reakcji elektrodowej,
F – stała Faraday’a; F = 96485 [C/mol],
R – stała gazowa; R = 8,3145 [J/mol K],
T – temperatura [K],
A – pole powierzchni elektrody pracującej [cm2],
D – współczynnik dyfuzji depolaryzatora [cm2/s],
4
Zakład Chemii Analitycznej
c – stężenie depolaryzatora [mol/cm3],
v – szybkość polaryzacji elektrody pracującej [V/s]
W temperaturze pokojowej (T = 298 K) równanie przyjmuje prostszą postać:
i p  26900n 3 / 2 AD1/ 2 v1/ 2 c
(3)
Paracetamol
Paracetamol (N-acetylo-4-aminofenol, 4-hydroksyacetanilid, acetaminofen) to
aktywny metabolit fenacetyny charakteryzujący się działaniem przeciwgorączkowym oraz
przeciwbólowym, jednakże w odróżnieniu od leków z grupy niesteroidowych leków
przeciwzapalnych nie wykazuje właściwości przeciwzapalnych. Działanie paracetamolu
związane jest z hamowaniem syntezy prostaglandyn w ośrodkowym układzie nerwowym
poprzez blokowanie cyklooksygenazy kwasu arachidonowego. Po podaniu doustnym, szybko
osiąga stężenie maksymalne (po ok. 1h) i w całości wchłaniany jest z przewodu
pokarmowego. Mechanizm metaboliczny zachodzi w wątrobie, a jego produktami są:
 w wyniku sprzęgania – glukoronid (ok. 55%) oraz siarczan (ok. 40%),
 w wyniku katalizowanej cytochromem P-450 N-oksydacji (przy nie dość wydajnej
reakcji sprzęgania) – p-N-acetyloimino-benzochinon (związek o wysokiej
reaktywności, w wyniku jego dużego nagromadzenia może dojść do nekrozy
komórek wątrobowych, stąd ostrzeżenia o hepatotoksycznym działaniu leku).
NH
CH3
O
Glukuronid
Siarczan
HO
Cytochrom P 450
N
CH3
O
O
p-N-acetyloimino-benzochinon
Zalecana pojedyncza dawka dla dorosłych wynosi 500 – 1000 mg, z kolei dla dzieci
dawka dobowa nie powinna być wyższa niż 50 mg paracetamolu/kg masy ciała. Trzyczterokrotne przekroczenie dawki dobowej (ok. 10 g czystej substancji) może doprowadzić
do nieodwracalnych zmian wątrobowych, a przy braku interwencji medycznej (podanie
antidotum – acetylocysteiny) nawet doprowadzić do zgonu. W przypadku osób z uszkodzoną
wątrobą – głodzonych lub nadużywających alkohol – objawy silnego zatrucia mogą wystąpić
już przy dawce 6 g! Objawami zatrucia paracetamolem są: biegunka, nudności, wymioty, bóle
brzucha, nadmierna potliwość oraz żółtaczka. Mogą one wystąpić po 2 – 4 dni po spożyciu
zwiększonej dawki leku. Okres półtrwania w osoczu wynosi 2 – 4 godzin.
Paracetamol jako lek przeciwgorączkowy występuje w wielu lekach stosowanych
powszechnie w stanach grypowych i przeziębieniach: preparatach prostych – Anadin, Apap,
Benuron (syrop), Calpol, Efferalgan, Paracemol (syrop), Paracetamol (syrop), Scanol czy
Tamazol, oraz złożonych – Anticol, Coldrex, Fervex, Panadol Extra, Saridon.
5
Zakład Chemii Analitycznej
W trakcie ćwiczenia paracetamol oznaczany będzie w syropach. Syrop to płynna
postać leku przeznaczona do podawania doustnego, w postaci przezroczystego, stężonego
roztworu najczęściej sacharozy lub alkoholi wielowodorotlenowych, rozpuszczonych
w wodzie, wyciągach roślinnych, sokach owoców. Bardzo często syropy zawierają substancje
pomocnicze, takie jak: środki konserwujące, przeciwutleniacze, czy substancje poprawiające
smak, zapach i zabarwienie. Istotnym jest, aby substancje te w zastosowanych ilościach nie
wykazywały własnego działania farmakologicznego, nie powodowały zmiany trwałości leku
oraz dostępności biologicznej substancji leczniczej.
Zasada oznaczenia acetaminofenu techniką woltamperometrii cyklicznej opiera się
na utlenieniu leku do uwodnionej N-acetylo-4- benzoiminy (cały proces odbywa się w kilku
etapach, w czasie których następuje m.in. utrata dwóch protonów oraz przyłączenie cząsteczki
wody).
paracetamol
NH
CH3
O
OH
+ H2O
O
O
NH
+
-
+ 2H + 2e
CH3
HO
Proces redukcji nie zachodzi w tak łatwy jak można by się spodziewać sposób, dlatego
też dla stosowanych prędkości przemiatania nie obserwuje się piku redukcji. Sytuacja taka
związana jest z nieaktywną elektrochemicznie uwodnioną benzoiminą. Kalibrację
przeprowadza się na podstawie prądu piku anodowego, który jest wprost proporcjonalny
do stężenia wzorca w roztworze.
ZAGADNIENIA DO KOLOKWIUM
1.
Podaj główną różnicę pomiędzy polarografią a woltamperometrią.
2. do 4. Wymień techniki woltamperometryczne i krótko omów (wraz z krzywymi
rejestrowanymi dla poszczególnych technik) dwie techniki podane przez prowadzącego.
5.
Wytłumacz na czym opiera się wykorzystanie woltamperometrii
w pomiarach analitycznych (analiza jakościowa oraz ilościowa).
cyklicznej
6. Omów konstrukcję typowego naczyńka pomiarowego służącego do oznaczeń
woltamperometrycznych.
7. Wyjaśnij pojęcia: prąd dyfuzyjny, nadnapięcie, polaryzowalność elektrody, prąd
migracyjny.
8. Wyjaśnij znaczenie równania Randlesa – Ševčika wraz z omówieniem wielkości
w nim występujących i ich jednostek.
9. Scharakteryzuj paracetamol jako lek powszechnie stosowany w życiu codziennym, jakie są
jego zalety, oraz jakie są zagrożenia związane ze stosowaniem leku.
10. Przedstaw obliczenia pozwalające wyznaczyć objętość roztworu wzorcowego V1 [mL]
o zadanym stężeniu c1 [g/L], jaką należy odpipetować do kolby miarowej na V2 [mL], aby
uzyskać stężenie c2 [M], przy znajomości masy molowej związku – zadanie przykładowe,
proszę zwrócić uwagę na jednostki!
11. Przedstaw niezbędne obliczenia pozwalające wyznaczyć stężenie roztworu roboczego,
powstałego przez odpipetownie objętości V1 [mL] roztworu wzorcowego o stężeniu
6
Zakład Chemii Analitycznej
c1 [mol/dm3] do kolby miarowej o objętości V2 [L] – zadanie przykładowe, proszę
zwrócić uwagę na jednostki!
12. W temperaturze t [oC] przy prędkości przemiatania równej v [mV/s] zmierzono wysokość
piku anodowego H1 dla roztworu o stężeniu c1. Następnie dokonano kolejnego pomiaru
wysokości H2 dla stężenia c2 w tych samych warunkach doświadczalnych co poprzednio.
Wyznacz stężenie c2 dla tak zarejestrowanego sygnału – zadanie przykładowe.
LITERATURA OBOWIĄZKOWA
1.
2.
3.
W. W. Kubiak, J. Gołaś, Instrumentalne metody analizy chemicznej, Wyd. Akapit,
Kraków 2005, Skrypt AGH, rozdział: Woltamperometria, s.139 -158.
A. Cygański, Podstawy metod elektroanalitycznych, WNT, Warszawa 1999, rozdziały:
Wiadomości podstawowe z polarografii (5.1, s.331-354), Woltamperometria (5.7,
s.415-435).
G.W. Ewing, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, PWN, Warszawa 1980,
wybrane zagadnienia z rozdziałów 13 oraz 15 (str. 256-265, 283-289, 302-303).
LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA
1.
2.
3.
W. Szczepaniak, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, PWN, Warszawa 2004,
rozdział: „Polarografia. Woltamperometria” (11, s.211 – 238).
Z. Galus, Teoretyczne podstawy elektroanalizy chemiczne, PWN, Warszawa 1977,
wybrane fragmenty dotyczące woltamperometrii (chronowoltamperometrii), (str. 41-46,
207-214, 373-378).
Materiały dydaktyczne Wydziału Chemii Politechniki Gdańskiej – Elektrochemia:
http://www.pg.gda.pl/chem/Dydaktyka/Analityczna/.
CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA
CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z techniką woltamperometrii cyklicznej oraz oznaczenie
paracetamolu w wybranym preparacie farmaceutycznym.
PRZYRZĄDY, NACZYNIA I ODCZYNNIKI
a)
b)
c)
d)
e)
f)
roztwór wzorcowy paracetamolu 35 mmol/L, bufor cytrynianowy pH=2,2, preparat
farmaceutyczny (np. syrop)
potencjostat/galwanostat PalmSens z oprogramowaniem PSTrace 4.0 i/lub
potencjostat/galwanostat EmStat z oprogramowaniem PSTrace 4.0
mieszadła magnetyczne
kolby miarowe o pojemności 50 mL
naczyńka pomiarowe
pipety automatyczne o pojemności 5, 10 [mL]
7
Zakład Chemii Analitycznej
SPOSÓB WYKONANIA
Przygotowanie roztworów i wykonanie pomiarów
1. W kolbkach o pojemności 50 mL sporządzić serię 5 roztworów wzorcowych poprzez
odpipetowanie odpowiednich ilości wzorca o stężeniu 35 mmol/L i uzupełnienie
buforem cytrynianowym do kreski. Stężenia roztworów wzorcowych należy dobrać
uwzględniając oczekiwane stężenie analitu w badanym preparacie farmaceutycznym.
Masa molowa paracetamolu wynosi 151,17 g/mol.
2. Przygotować badany roztwór syropu w kolbce miarowej o pojemności 50 mL
poprzez odpipetowanie odpowiedniej objętości preparatu wyjściowego (syropu)
i uzupełnienie buforem do kreski.
3. W kolbkach o pojemności 50 mL sporządzić 4 roztwory kalibracyjne metodą
dodatków wzorca, uwzględniając takie samo rozcieńczenie badanej próbki we
wszystkich przygotowywanych roztworach.
4. Dokonać pomiaru linii bazowej dla buforu w warunkach podanych przez asystenta.
5. Wykonać pomiary wzorców w kolejności losowej (dla każdego wzorca wykonać trzy
powtórzenia, pamiętając o wymieszaniu roztworu przed każdym pomiarem)
w warunkach doświadczalnych podanych przez asystenta techniką woltamperometrii
cyklicznej.
6. Przeprowadzić analizę przygotowanego roztworu syropu wykonując 10 powtórzeń.
OPRACOWANIE WYNIKÓW
Opracowanie wyników należy przedstawić w formie raportu z uwzględnieniem:
1. Celu ćwiczenia, opisu wykonanych eksperymentów,
2. Wyznaczenia natężenia pików anodowych na podstawie zarejestrowanych krzywych dla
poszczególnych wzorców oraz sygnału dla próbki, w tym celu należy:
2.1. Narysować styczną do prostoliniowego odcinka gałęzi utlenienia (prądu
dyfuzyjnego),
2.2. Maksimum piku anodowego zrzutować na oś odciętych,
2.3. Różnica wartości prądów pomiędzy przecięciem się stycznej i zrzutowanej wartości
maximum a wartością maksimum wyznacza wartość ip,
3. Zestawienia wyników doświadczalnych w postaci tabeli,
4. Wykreślenia krzywej kalibracyjnej wraz z wyznaczeniem błędów dopasowania krzywej
(błędów oszacowania parametrów a i b),
5. Wyliczenia rzeczywistego stężenia acetaminofenu w próbce syropu,
6. Wyjaśnienia spadku stężenia paracetamolu w analizowanej próbce,
7. Dyskusji wyników i podsumowania zastosowanej techniki analitycznej,
8. Opracowania zagadnienia naukowego.
8